Введение к работе
Актуальность проблемы. Задачи ускорения научно-технического про-есса выдвинули обширный круг проблем для современного машинострое-я. Они связаны с необходимостью постоянного совериенствования техни-їїких параметров изделий, с интенсификацией рабочих процессов, необ-пимостью повышения надежности и ресурса. Одно из основных требова-й, предъявляемых в машиностроении к материалам и конструкциям, зачтется в том, что в период эксплуатации они не должны разрушаться герять свои функциональные свойства.
Во многих практически важных случаях основные узлы и детали со-эменных конструкций подвергаются одновременному воздействии стати-:гсих и циклических нагрузок в условиях одноосного и сложного напря-того состояний. Наличие в деталях резких переходов сечений, выпол-лвих с малыми радиусами закруглений в виде выточек галтелей, отвер-ій, создает концентрацию напряжений, практически всегда обусяавли-;т образование трещин усталости и усталостное разрушение. Особенное ічение эта проблема приобретает в энергетике,авиации, металлургии, і эксплуатации нефтехимического оборудования и т.д. В инженерных їложениях расчеты конструкций и их элементов чаше всего подразуме-п расчет и прогнозирование предельного состояния материалов в диа-. іоне долговечностей, ограниченных предварительными зксперименталь-м исследованиями или полученных на их' основе аппроксимационных со-юшениях.
Решении проблемы оценки предельного состояния материалов и эле-ігов конструкций при циклическом нагружении в условиях одноосного и шного напряженного состояний посвящено значительное чисЯС- работ явственных и зарубежных ученых.. Подавляющее их большинство связано опросами оценки усталостной долговечности при симметричном цикле. ,
Существенный вклад в решение этой проблемы внесли И.Н.Биргер, Видаль, Л.Джонсон, Т.П.Захарова, В.С.Иванова, А.Дж.Кеннеди, Р.Ко-адзава, А.А.Лебедев, И.А.Одинг, Г.С.Писаренко, С.В.Серексен, С.Тай-
В.Т.Трощенко и др. Ими созданы перспективные направления и полу-ы важные практически результаты.-
Однако к настоящему времени недостаточно изучен вопрос расчета и гнозирования предельного состояния в условиях асимметричного нагру-ия при различных видах напряженного состояния. Здесь определенный ех достигнут в получении аналитических зависимостей расчета пре-ышх напряжений при асимметричном нагружении и одноосном напряжен-
состоянии. В то же время, эти соотношения являются эмпирическими снованы на обработке полного объема испытаний при различных соот-
ношениях переменных и постоянных напряжений.
Еще менее решенной проблемой является исследование и оценка попечения материалов и элементов конструкций в условиях асимметричных циклоп нагружения при сложном напряженном состоянии,- Решение таких а дач строится на применении известных критериев усталостной и длителі ной статической прочности, а также с использованием структур одномег ных соотношений. При этом ограничения одномерных зависимостей также распространяются на случаи сложного напряженного состояния.
Целью работы является построение и экспериментальное обоснован моделей предельного состояния материалов при многоциклопом асимметрі мом нагружении и решение задач по расчету предельного состояния в у< ловилх одноосного и сложного напряженного состояние, включая:
выбор и обоснование исходных соотношений, формулировку и обоснование "базовой" гипотезы;
построение моделей предельного состояния в условиях одноосного на-пряженного состояния, обобщение их на сложное напряженное состоят назначение базового эксперимента и выявление механических зффектої
разработка методики, устройств и проведение комплекса экспериментального исследования усталости и кратковременной.и длительной пр' пости при симметричном и асимметричном циклах нагружения;
решение задач расчета и прогнозирования предельного состояния маті риалов при многоциклрвом асимметричном нагружении в условиях одно оеного и сложного напряженного состояний и сопоставление результа тов расчета с экспериментом.
Достоверность полученных результатов в работе подтверждается х рогаим согласованием результатов расчета с оригинальными и заимствов ными из. литературы экспериментальными данными для широкого класса м таллических материалов.
В теоретической части при обосновании и разработке моделей использованы методы функционального анализа при планировании эксперимента - матричное исчисление, при определении коэффициентов и решен конкретних задач - численные методы и методы математической статист ни (доверительней интервал, коэффициент корреляции, критерий Фишера Задачи решались на ПЭВМ серии FM/ЛТ. В экспериментальной части испс зовались индуктивные и трансформаторные датчики дифференциального ч па, а также специально разработанные устройства. '
Научная новизна.'Нроаналиэированы и систематизированы существу шие подходы к расчету предельного состояния материалов при многоци* лопом асимметричном нагружении в условиях одноосного и сложного наг
енного состояний.
Нп оснопе статистического критерия Фишера о использованием сте-онной функции косинуса доказано существование "единой предельной диграмма", для широкого класса металлических материалов, инвариантной ремени до разрушения,и построена модель предельного состояния для симметричного одноосного нагружения. Базовый эксперимент включает гандартные испытания на усталость при симметричном цикле, на длитель-/«) или кратковременную статическую прочность и единичный эксперимент. ч усталость при отнулеоом цикле.
На основе гипотезы "единой предельной диаграммы", инвариантной -іду напряженного состояния, с использованием основных критериев прочисти, построена модель предельного состояния металлических материалов эй сложном напряженном состоянии.
Практическая ценность. На оснопе "построенных моделей разработан угоц расчета и прогнозирования диаграмм предельных напряжений и вре-;ни бо разрушения при асимметричном нагружении в условиях одноосного сложного напряженного состояний, а также в условиях концентрации на-жжений. Для решения задач разработан пакет лрограмм на языке ТУШО iSIC, рассчитанных на использование ПЭВМ.
Для различных видов напряженного состояния рассчитаны и спрогно-іровани на несколько порядков диаграммы предельных напряжений, кри-іе усталости при асимметричном иикле и кривые длительной прочности іи<Зо=(Ліг для различных видов напряженного состояния, включая рас-'жение-сжатие, изгиб с кручением, кручение с растяжением-сжатием, ниентраиию напряжений.
Разработана методика эксперимента, экспериментально исследованы получены новые данные по усталости при симметричном и асимметричном клах напруження кратковременной, длительной статической прочности, нетике разрушения конструкционных жаропрочных материалов, эксплуа-руемых в различного рода современных энергетических установках Ш7ВВД, ЭИ867, ЗИ827, ЭИ437Б).
Апробация работы і Основные.положения диссертационной работы до-адывались и обсуждались на ХУ1, ХУЛ и ХУШ научньпс конференциях мо-пых ученых Института механики АН Украины (Киев, 1991, 1992, 1993гг.) ХХІУ Научном совещании.по проблемам прочности двигателей (Москва, Э2г.), на конференции "Проблемы надежности и долговечности" (Москва Э2г.), на Научном совещании "Термовязкоупругопластические процессы Ирмироэаняя в элементах конструкций" (Канев, 1992г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ. Структура и объем диссертдииснной работы- Диссертационная работа
- л -изложена на 156 страницах машинописного текста, иллюстрируется piicj ками и таблицами на 39 страницах и состоит К5 введения, четьгрех гл заключения, списка литературы из 154 наименований и приложения на ] страницах.
Основные положения, предстаьляемые к зашите. Принцип построен! моделей предельного состояния материалов при асимметричном нагружеі основанный на гипотезе о существовании "единой предельной диаграммі инвариантной времени до разругаения и виду напряженного состояния.
Методика расчета и прогнозирования предельного состояния мате] алов при различных видах напряженного состояния, основанная на использовании идентифицирующего вид предельной диаграммы зксперимеї при отнулевом асимметричном цикле,. при котором соблюдается равенсті напряжений в цикле и равенство степени асимметрии при любой долгові ности.
